Зорохович А. Е., Крылов С. С.

ЭЛЕКТРО ТЕХНИКИ

ДЛЯ ЛОКОМОТИВНЫХ

БРИГАД

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

Утверждено

Главным управлением

учебными заведениями МПС

в качестве учебника

для технических школ

МОСКВА (ТРАНСПОРТ) 1987

ББК 39.22-08

3 86 УДК 629.42.064.5(075)+621.3(075)

Книгу написали: введение и главы первую — седьмую профессор, д-р техн. наук Зорохович А. Е., главы восьмую — десятую канд. техн. наук Крылов С. С.

Рецензент Н. А Спирова

Заведующий редакцией Н. В. Зенькович

Редактор Н. А. Голованова

Зорохович А. Е., Крылов С. С.

386 Основы электротехники для локомотивных бригад:

Учебник для техн. школ.— 2-е изд., перераб. и доп.— М.: Транспорт, 1987.— 414 с: ил., табл.

В книге изложены физические основы электротехники, теория электриче­ских цепей постоянного и переменного тока, устройство машин постоянного и переменноготока,трансформаторов, магнитных усилителей, принцип действия и устройство электроизмерительных приборов и электрических аппаратов, ме­тоды электрических измерений. Даны общие сведения об электротехнических материалах.

Настоящее издание по сравнению с 1-м изданием, выпущенным в 1981 г., дополнено описанием новых машин переменного тока.

Книга предназначена учащимся технических школ и может быть полезной широкому кругу работников, связанных с эксплуатацией и ремонтом электри­ческого подвижного состава и тепловозов.

₃ 3602030000-237 ББК 39.22-08

049(01)-87 ■'© Издательство «Транспорт». 1987

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника есть наука о техническом использовании электрических и электромагнитных явлений. Широкое распростра­нение электротехники в современной промышленности и на транспор­те объясняется относительной простотой получения электрической энергии, передачи ее на дальние расстояния, распределения между потребителями и преобразования в другие виды энергии.

Электрификация является стержнем строительства экономики социалистического общества. Она играет ведущую роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении современного технического прогресса.

 

Электрические и электромагнитные явления были открыты в конце XVIII — начале XIX столетий. В это же время были созданы первые химические источники тока (гальванические элементы). В первой половине XIX столетия были в основном изучены хими­ческие, тепловые, световые и магнитные действия электрического тока и открыты важнейшие законы электротехники. Важная роль в открытии этих законов принадлежит известным ученым-физикам, имена которых носят основные законы электротехники и единицы измерения главных электрических величин: А. Амперу, А. Вольту, Г. Герцу, Д. Джоулю, Г. Кирхгофу, Ш. Кулону, Д. Максвеллу, Н. Ому, Н. Тесла, М. Фарадею, Г. Эрстеду и др., а также русским ученым М. В. Ломоносову, Э. X. Ленцу, П. Н. Лебедеву, В. В. Петрову, А. Г. Столетову и др.

Во второй половине XIX столетия ученые и изобретатели со­здают различные электрические машины, приборы и устройства, по­зволяющие применять электрическую энергию для практических целей. Первые электрические машины и устройства использовали энергию постоянного тока. Однако значительные преимущества переменного тока при передаче, распределении электрической энергии и преобразовании ее в механическую работу обусловили быстрое развитие электрификации на переменном токе. В развитии техники переменного тока ведущая роль принадлежит русским ученым и изобретателям: П. Н. Яблочкову, создавшему конструк­ции генераторов переменного тока и трансформатора с разомк­нутым магнитопроводом; Д. А. Лачинову, разработавшему теорию передачи электрической энергии на дальние расстояния; М. О. До-ливо-Добровольскому, разработавшему систему трехфазного пере­менного тока и создавшему трехфазный трансформатор, трех­фазные асинхронные электродвигатели и др.

В развитии электротехники и практическом применении ее до­стижений в народном хозяйстве большая роль принадлежит совет­ским ученым: А. Е. Алексееву, С. И. Вавилову, А. Ф. Иоффе, Г. М. Кржижановскому, М. П. Костенко, К. А. Кругу, В. С. Куле-бакину, И. В, Курчатову, М. А. Шателену, К- И. Шенферу и другим.

Громадное количество дешевой электрической энергии, которое в ближайшее время получит народное хозяйство СССР, создает необходимые предпосылки для дальнейшего развития электрифи­кации промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта советских людей с целью более полного удовлетворения их мате­риальных и духовных потребностей.

 

ГЛАВА I

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ

И ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ

Электрический ток

Закон Ома

Закон Ома для электрической цепи. Согласно этому закону сила тока I в электрической цепи равна э. д. с. Е источника, поде­ленной на сопротивление цепи /?_Ц) т. е.

Полное сопротивление замкнутой электрической цепи (рис. 13) можно представить в виде суммы сопротивления внешней цепи /? (например, какого-либо приемника электрической энергии) и внут­реннего сопротивления /?₀ источника. Поэтому сила тока

Чем больше э. д. с. Е источника и чем меньше сопротивление электрической цепи, тем больший ток проходит по этой цепи.

Закон Ома для участка электрической цепи. Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи, но и к любому ее участку, например между точками а и б (см. рис. 13). В этом случае э. д. с. Е источника в формуле (7) должна быть заменена разностью потенциалов между началом и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением 11, а вместо сопротивления всей цепи в формулу должно быть подставлено сопротивление /? данного участка. В этом случае закон Ома формулируется следующим образом. Сила тока I на данном участке электрической цепи равна напряжению V, приложенному к участку, поделенному на сопротивление Я этого участка:

Прохождение электрического тока по проводникам полностью аналогично прохождению воды по трубам (рис. 14). Чем больше разность уровней воды при входе и выходе из трубы (напор) и чем больше поперечное сечение трубы, тем больше воды протекает сквозь трубу в единицу времени. Точно так же, чем больше разность электрических потенциалов (напряжение) на зажимах источника или приемника электрической энергии и чем меньше его сопротив­ление (т. е. чем больше площадь поперечного сечения проводника), тем больший ток проходит по нему.

Из формулы (9) следует, что напряжение V, действующее на некотором участке цепи, равно произведению силы тока I на сопро­тивление Я этого участка:

Так как потенциал электрического поля в начале участка электрической цепи больше, чем в конце, разность потенциалов, или напряжение II, приложенное к участку электрической цепи, часто называют падением напряжения на данном участке.

Сопротивление Я участка цепи равно напряжению, приложенному к данному участку, поделенному на силу тока на этом участке, т. е.

Если сопротивление /? не зависит от проходящего по нему тока и приложенного к нему напряжения, то его вольт-амперная харак­теристика, т. е. зависимость силы тока / от напряжения с/, пред­ставляет собой прямую линию / (рис. 15). Такие сопротивления называют линейными, а электрические цепи, в которых включены подобные сопротивления,— линейными цепями.

Однако в электротехнике широко применяют и такие устройства, сопротивление которых резко изменяется в зависимости от силы или направления проходящего через них тока либо приложенного напряжения. Подобные сопротивления имеют вольт-амперную харак­теристику, отличающуюся от прямой (кривая 2 на рис. 15), и назы­ваются поэтому нелинейными сопротивлениями. Простейшим не­линейным сопротивлением является электрическая лампа накалива­ния. При протекании тока по металлической нити лампа нагрева­ется и сопротивление ее возрастает. Следовательно, при увеличении приложенного к лампе напряжения сила тока будет возрастать не прямо пропорционально напряжению, а в несколько меньшей степени.

В принципе большинство электрических устройств может быть представлено в виде нелинейного сопротивления, так как при из­менении силы тока меняется температура данного устройства, а сле­довательно, и его сопротивление. Однако у многих из них вольт-амперные характеристики в рабочем диапазоне изменений напряже­ния и тока мало отличаются от прямой, поэтому приближенно можно их считать линейными сопротивлениями.

К сопротивлениям с нелинейной вольт-амперной характеристикой относятся электрические лампы накаливания, термисторы (полу­проводниковые резисторы, сопротивление которых сильно изменяется при изменении температуры), полупроводниковые диоды, тиристоры и транзисторы, электронные лампы и пр. Нелинейные сопротивле­ния широко используют в электротехнике для автоматического регулирования силы тока и напряжения в электрических цепях, электрических измерений, выпрямления тока и пр.

Законы Кирхгофа

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока, напря­жением и сопротивлением для простейшей электрической цепи, представляющей собой один замкнутый контур. В практике встре­чаются более сложные (разветвленные) электрические цепи, в которых имеются несколько замкнутых контуров и несколько узлов, к которым сходятся токи, проходящие по отдельным ветвям. Значе­ния токов и напряжений для таких цепей можно находить при помощи законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа устанавливает зависимость между то­ками для узлов электрической цепи, к которым подходит несколько ветвей. Согласно этому закону алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:

При этом токи, направленные к узлу, берут с одним знаком (например, положительным), а токи, направленные от узла,— с про­тивоположным знаком (отрицательным). Например, для узла А (рис. 23, а)

Преобразуя это уравнение, получим, что сумма токов, направ­ленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от этого узла:

В данном случае имеет место полная аналогия с распределением потоков воды в соединенных друг с другом трубопроводах (рис. 23, б).

Второй закон Кирхгофа устанавливает зависимость между э. д. с. и напряжением в замкнутой электрической цепи. Согласно этому закону во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма э. д. с. равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивле­ниях, входящих в этот контур:

При составлении формул, характеризующих второй закон Кирх­гофа, значения э. д. с. Е и падений напряжений //? считают поло­жительными, если направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура совпадают с произвольно выбранным направле­нием обхода контура. Если же направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура противоположны выбранному направлению обхода, то такие э. д. с. и падения напряжения считают отрицательными.

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь, в которой имеются два источника с электродвижущими силами Е\ и Е₂ 34

 

При этом э. д. с. Е\ и ток / совпадают с выбранным направ­лением обхода контура и считаются положительными, а э. д. с. Е%, противоположная этому направлению, считается отрицательной.

Если в электрической цепи э. д. с. источников электрической энергии при обходе соответствующего контура направлены навстре­чу друг другу (см. рис. 24, а), то такое включение называют встречным. В этом случае на основании второго закона Кирхгофа

ток1 = (Е₁-Е_г)/(Я1+Яг + Ко1+Яог).

Встречное направление э. д. с. имеет место, например, на э. п. с. при включении электродвигателей постоянного тока (их можно рассматривать как некоторые источники э. д. с.) в две параллельные группы (см. § 36), а также при параллельном включении аккуму­ляторов в батарее (см. § 45).

Если же э. д. с. источников электрической энергии имеют по кон­туру одинаковое направление (рис. 24, б), то такое включение назы­вают согласным и ток / = (^1 +^₂)/(^1 +/?2 + ^01 + /?02>. В некоторых случаях такое включение недопустимо, так как ток в цепи резко возрастает.

Если в электрической цепи имеются ответвления (рис. 24, в), то по отдельным ее участкам проходят различные токи 1\ и /г. Соглас­но второму закону Кирхгофа

При составлении этого уравнения э. д. с. Е\ и ток /1 считаются положительными, так как совпадают с принятым направлением обхода контура, э. д. с. Е% и ток /г — отрицательными.

Тепловое действие тока

Выделение тепла при прохождении электрического тока. При

прохождении электрического тока по проводнику в результате столк­новений свободных электронов с его атомами и ионами проводник нагревается.

Количество тепла, выделяемого в проводнике при прохожде­нии электрического тока, определяется законом Ленца — Джоуля. Его формулируют следующим образом. Количество выделенного тепла С} равно произведению квадрата силы тока I², сопротивле­ния проводника К и времени I прохождения тока через проводник: Если в этой формуле силу тока брать в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, то получим количество выделенного тепла в джоулях. Из сравнения формул (29) и (34) следует, что количество выделенного тепла равно количеству электрической энер­гии, полученной данным проводником при прохождении по нему тока.

Допустимая сила и плотность тока. Превращение электрической энергии в тепловую нашло широкое применение в технике. Оно происходит, например, в различных производственных и бытовых электронагревательных приборах (электрических печах, электропли­тах, электрических паяльниках и пр.), в электрических лампах на­каливания, аппаратах для электрической сварки и пр. Однако во многих электрических устройствах, например в электрических ма­шинах и аппаратах, электрических проводах и т. д., превра­щение электрической энергии в тепло вредно, так как это тепло не только не используется, а наоборот, ухудшает работу этих машин и аппаратов, а в некоторых случаях может вызвать повреждения и аварии.

Каждый проводник в зависимости от условий, в которых он находится, может пропускать, не перегреваясь, ток силой, не превы­шающей некоторое допустимое значение. Для определения токовой нагрузки проводов часто пользуются понятием допустимой плот­ности тока 1 (сила тока /, приходящаяся на 1 мм² площади 5 попереч­ного сечения проводника):

 

Допустимая плотность тока зависит от материала провода (медь или алюминий), вида применяемой изоляции, условий охлаждения, площади поперечного сечения и пр. Например, допустимая плотность тока в проводах обмоток электрических машин не должна пре­вышать 3—6 А/мм², в нити осветительной электрической лампы — 15 А/мм². В проводах силовых и осветительных сетей плотность тока может быть различной в зависимости от площади поперечного сечения провода и его изоляции. Например, для медных проводов с резиновой изоляцией и площадью поперечного сечения 4 мм² до­пускается плотность тока 10,2 А/мм², а 50 мм² — только 4,3 А/мм²; для неизолированных проводов тех же площадей сечения—12,5 и 5,6 А/мм². Уменьшение допустимой плотности тока при увеличении площади поперечного сечения провода объясняется тем, что в про­водах с большей площадью сечения отвод тепла от внутренних слоев затруднен, так как сами они окружены нагретыми слоями. Для неизолированных проводов допускается большая температура нагрева, чем для изолированных.

Превышение допустимого значения силы тока в проводнике может вызвать чрезмерное повышение температуры, в результате этого изоляция проводов электродвигателей, генераторов и электри­ческих сетей обугливается и даже горит, что может привести к ко­роткому замыканию и пожару. Неизолированные же провода могут при высокой температуре расплавиться и оборваться.

Для того чтобы предотвратить недопустимое увеличение силы тока, во всех электрических установках должны приниматься меры для автоматического отключения от источников электрической энергии тех приемников или участков цепи, в которых имеет место перегрузка или короткое замыкание. Для этой цели в технике широ­ко используют плавкие предохранители, автоматические выклю­чатели и другие устройства.

Нагрев в переходном сопротивлении. Повышенный нагрев про­водника, как следует из закона Ленца — Джоуля, может происходить не только вследствие прохождения по нему тока большой силы, но и вследствие повышения сопротивления проводника. Поэтому для надежной работы электрических установок большое значение имеет значение сопротивления в месте соединения от­дельных проводников. При неплотном электрическом контакте и пло­хом соединении проводников (рис. 32) электрическое сопротивле­ние в этих местах (так называемое переходное сопротивление электрического контакта) сильно возрастает, и здесь происходит усиленное выделение тепла. В результате место неплотного соеди­нения проводников будет представлять собой опасность в пожарном отношении, а значительный нагрев может привести к полному выгора­нию плохо соединенных проводников. Во избежание этого при сое­динении проводов на э. п. с. и тепловозах концы их тщательно зачищают, облуживают и впаивают в кабельные наконечники, которые надежно прикрепляют болтами к зажимам электрических ма­шин и аппаратов. Специальные меры принимают и для уменьше­ния переходного сопротивления между контактами электрических аппаратов, осуществляющих включение и выключение тока.

ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

И ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Магнитная цепь

Для того чтобы сосредоточить магнитное поле в определен­ной части электрической машины, аппарата или прибора и умень­шить мощность, потребляемую катушкой электромагнита, создаю-

щего это поле, в конструкции этих устройств широко применяют различные элементы из ферромагнитных материалов. Совокупность таких элементов с разделяющими их воздушными зазорами со­ставляет магнитопровод, или магнитную цепь, электрической ма­шины, аппарата или прибора. Например, магнитная цепь электро­магнитного реле (рис. 46, а) состоит из трех участков: сердеч­ника 2, якоря 4 и двух воздушных зазоров 6. По замкнутому контуру, образованному этими участками, проходит магнитный поток 3, создаваемый током катушки /. При переходе через воздуш­ные зазоры, разделяющие сердечник и якорь, часть магнитного потока замыкается по воздуху, т. е. не проходит через якорь,— возникает поток рассеяния 5.

Магнитное поле в магнитной цепи электрической машины по­стоянного тока создается током катушек 7 (рис. 46, б), располо­женных на полюсах 8. Эти катушки называют обмотками возбуж­дения. Создаваемый ими магнитный поток проходит через сердечни­ки полюсов, вращающуюся часть машины — якорь 9, воздушные зазоры // между полюсами и якорем и замыкается через остов 10.

Магнитодвижущая сила. Способность тока возбуждать магнит­ное поле оценивается его магнитодвижущей силой (м. д. с). Маг­нитодвижущая сила Р изменяется в амперах. Магнитодвижущая сила проводника с током I равна силе этого тока: Р — 1.

В общем случае, когда какой-либо замкнутый контур охваты­вает несколько токов (показан на рис. 47, а штриховой линией), суммарная магнитодвижущая сила равна их алгебраической сумме: Для случая

Магнитодвижущая сила катушки представляет произ­ведение тока / на число ее витков до. Это объясняется тем, что

Закон Ома для магнитной цепи. Для лучшего понимания усло­вий возникновения магнитного поля в магнитных цепях целесооб­разно провести аналогию между магнитной цепью и цепью электри­ческой. Это можно сделать, например, для простейшей магнитной цепи, на всем протяжении которой напряженность Н магнитного поля постоянна. Для такой цепи произведение напряженности Н на длину I магнитной цепи по всему ее замкнутому контуру равно алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром: Формула (46) выражает закон полного тока для рассматривае­мой магнитной цепи. Сумма токов ][/, пронизывающих какой-либо замкнутый контур, называется полным током: отсюда и получил свое название этот закон.

Если в формулу (46) подставим напряженность Н из формулы (43), заменив индукцию В согласно формуле (41), то получим за­висимость магнитного потока Ф от магнитодвижущей силы Р и пара­метров данной магнитной цепи, т. е. от ее магнитного сопротивления /?_м. Эта зависимость называется законом Ома для магнитной цепи. Он формулируется следующим образом. Магнитный поток, проходящий по магнитной цепи, равен магнитодвижущей силе, де­ленной на магнитное сопротивление цепи, Магнитное сопротивление /?_ч = //(ц_а5) зависит от длины / маг­нитной цепи, поперечного сечения 5 и магнитной проницаемости и_я. Из формулы (47) следует, что действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы. Подобно тому как э. д. с. является причиной возникновения тока в электри­ческой цепи, так и м. д. с. является причиной возникновения маг­нитного потока в магнитной цепи. Чем больше магнитодвижу­щая сила Р, создаваемая катушкой электромагнита, тем больший магнитный поток проходит по его магнитной цепи.

Магнитное сопротивление /?_м играет в магнитной цепи роль, аналогичную электрическому сопротивлению цепи. Так же как в элек­трической цепи с увеличением сопротивления уменьшается ток, так и в магнитной цепи с увеличением магнитного сопротивления уменьшается магнитный поток. Следует, однако, отметить, что эта аналогия не распространяется на физические процессы, имеющие место в электрических и магнитных цепях. Кроме того, магнитное сопротивление /?„ является нелинейным. Оно зависит от магнитной проницаемости ц_а, которая изменяется при изменении индукции, т. е. магнитного потока, проходящего через данный участок цепи. Поэтому при расчетах магнитных цепей пользуются кривыми намагничивания, т. е. зависимостями напряженности Н от индукции В для соответствующего ферромагнитного материала.

Формулы (47) и (47') показываю/г, что возрастание магнитного потока в какой-либо электрической машине или аппарате можно обеспечить: увеличением магнитодвижущей силы Р катушки, создаю­щей магнитное поле в данной машине или аппарате, т. е. увеличе­нием проходящего по ней тока. / или числа витков ш катушки; уменьшением магнитного сопротивления магнитной цепи данной машины или аппарата путем применения ферромагнитных материа­лов с большей магнитной проницаемостью д._а; уменьшением воз­душных зазоров, разделяющих отдельные участки магнитной цепи, выполненные из ферромагнитных материалов (воздушные зазоры, имеющиеся в магнитной цепи, создают весьма большое магнитное сопротивление); увеличением площади поперечного сечения 5 от­дельных участков магнитной цепи или же уменьшением общей длины магнитной цепи и ее отдельных участков.

Все эти меры широко используют при конструировании электри­ческих машин и аппаратов. Магнитопроводы стараются выполнить из высококачественных ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью (электротехнической стали или специальных сплавов), воздушные зазоры свести до минималь­ных значений.

Электромагнитная индукция

Индуцирование э. д. с. При пересечении проводником силовых линий магнитного поля в нем возникает или, как говорят, индуци­руется э. д. с. Это явление называется электромагнитной индукцией.

Возникновение э.д.с. объясняется действием сил магнитного поля на находящиеся в проводниках свободные электроны. Свободные электроны под влиянием этих сил начнут двигаться вдоль провод­ника (рис. 51, а). В результате этого движения на одном конце про­водника накопятся свободные электроны и возникнет отрицательный электрический заряд, а на другом конце ввиду недостатка электро­нов появится положительный заряд. Такое разделение электри­ческих зарядов при движении проводника в магнитном поле будет происходить до тех пор, пока электромагнитные силы не уравно­весятся силами электрического поля, возникающего в проводнике в результате появления на его концах разноименных электри­ческих зарядов. Разность потенциалов на концах проводника чис­ленно равна индуцированной в проводнике э.д.с. Индуцирование э.д.с. в проводнике происходит независимо от того, включен ли он в какую-либо электрическую цепь или нет. Если присоединить концы этого проводника к какому-либо приемнику электрической энергии, то под влиянием разности потенциалов на концах провод­ника по замкнутой цепи потечет электрический ток.

Значение индуцированной э. д. с. определяется законом электро­магнитной индукции Фарадея. Он формулируется следующим обра­зом. Индуцированная э. д. с. е прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника I и скорости его переме­щения V в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля,

Если проводник движется под углом а к направлению поля, то

Если проводник перемещается вдоль силовых линий поля, т. е. как бы скользит по ним, то э.д.с. в нем не возникает.

Направление индуцированной э. д. с. определяют правилом правой руки. Если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец сов­местить с направлением движения проводника (т. е. направлением его скорости и), то вытянутые четыре пальца укажут направление индудированной э.д.с. е (рис. 51, б). Пользуясь этим правилом, легко убедиться в том, что при изменении направления движения провод­ника будет изменяться и направление индуцированной э.д.с.

Индуцировать э.д.с. в проводниках можно и не перемещая их в магнитном поле. Для этого необходимо перемещать само магнитное поле или изменять тем или иным путем магнитный поток, охваты­ваемый витком, катушкой или каким-либо другим замкнутым кон­туром. Индуцированная таким образом э.д.с. определяется согласно закону электромагнитной индукции Максвелла: э.д.с, индуцирован­ная в замкнутом контуре (рис. 52,а), равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, т. е.

· изменение магнитного потока, пронизывающего кон­тур (от значения Ф, до значения Ф₂);

· промежуток времени (от момента 1\ до момента /г), в течение которого происходит указанное из­менение потока.

Иными словами, чем быстрее изменяется магнитный поток, про­низывающий замкнутый контур, тем больше индуцированная э.д.с.

Каждый виток можно рассматривать как некоторый замкнутый контур. Поэтому индуцированная в нем э.д.с. определяется по фор­муле (51). Э.д.с, индуцированная в катушке с числом витков ш, если все ее витки пронизываются одним и тем же потоком (рис. 52, б),

Отдельные витки катушки могут пронизываться различными потоками (рис. 52, в), т. е. могут быть сцеплены с различным числом силовых магнитных линий. Алгебраическая сумма потоков, сцеплен­ных со всеми витками катушки называется ее потокосцеплением Ч^г. Например, для катушки, показанной на рис. 52, Следовательно, в общем случае индуцированная э.д.с. равна ско­рости изменения потокосцепления катушки.

Правило Ленца. Направление индуцированной э.д.с. определяет­ся правилом Ленца. Его формулируют следующим образом: инду­цированная э.д.с. имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление э.д.с, т. е. противодействует изменению магнитного потока. Знак «минус» в формулах (51), (5Г) и (52) выражает существо правила Ленца: если изменение потока Ф или потокосцепления 4^я положительно (например, увеличивается), то э.д.с. е отрицательна, т. е. созданный ею ток будет уменьшать Ф или 4^х.

Правило Ленца может быть проиллюстрировано следующими примерами. При опускании магнита (или электромагнита) внутрь катушки (рис. 53, а) э.д.с, индуцированная в катушке, имеет такое направление, при котором созданное током катушки магнитное поле будет противодействовать опусканию магнита. При удалении же магнита из катушки (рис. 53, б) индуцированная в ней э.д.с. соз­дает ток, направленный так, что магнитное поле катушки препят­ствует удалению магнита.

Если изменять ток ц в проводнике АБ (рис. 54), например замы­кая и размыкая электрическую цепь, в которую он включен, то в расположенном параллельно ему проводнике ВГ индуцируется э.д.с. е_м. Индуцирование э.д.с. происходит в результате изменения маг­нитного потока, созданного током ц. Часть этого изменяющегося по­тока пронизывает замкнутый контур, составленный из проводника ВГ и присоединенного к нему электроизмерительного прибора. Э. д. с. е„ направлена так, чтобы вызванный ею ток /г создавал магнитный поток, препятствующий изменению магнитного поля, созданного током 1\, протекающим в проводнике АБ.

При увеличении тока 1\ э. д. с. е_м и ток /г в проводнике ВГ будут направлены против тока г\. При уменьшении же тока 1\ э. д. с. е_и и ток 12 будут направлены в ту же сторону, что и ток 1\.

Способы индуцирования э. д. с. в электрических машинах. Явление электромагнитной индукции широко используется в различ­ных электрических машинах и устройствах. На этом принципе осно вано устройство электрических генераторов, двигателей и трансфор­маторов. Для индуцирования э. д. с. в них обычно применяются три способа:

изменение тока в катушке / (рис. 55, а), в магнитном поле которой расположена вторая катушка 2. При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый второй катушкой, и в ней, а также и в первой катушке, будут индуцироваться электродвижущие силы в2 и е\. Этот способ используют в трансформаторах; 74

вращение магнитного поля, созданного постоянными магнитами или электромагнитами 3, относительно неподвижных катушек 4 (рис. 55, б). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, пронизывающий каждую катушку, и в них индуцируются э. д. с. е. Такой способ используют в основном в машинах переменного тока;

вращение витков 6 или катушек в постоянном магнитном поле, созданном неподвижными постоянными магнитами 5 или электромаг­нитами (рис. 55, в). При этом непрерывно изменяется магнитный поток, охватываемый каждым витком или катушкой, вследствие чего в них индуцируется э. д. с. е. Этот способ используют в основном в электрических машинах постоянного тока.

В рассмотренных случаях э. д. с, индуцированные в витках или катушках, будут переменными.

Вихревые токи

Возникновение вихревых токов. Изменяющийся магнитный поток способен индуцировать э. д. с. не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти э. д. с. являются причиной появлений индуцированных токов, которые дей­ствуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых. Например, при изменении магнитного потока, созданного катушкой 1 (рис. 56, а), в ее стальном сердечнике 2 индуцируются вихревые

токи, замыкающиеся в плоскости, перпендикулярной силовым ли­ниям магнитного поля. Вихревые токи возникают также в сердечни­ках 3 якорей и роторов электрических машин при вращении их в магнитном поле (рис. 56, б). Природа вихревых токов такая же, как и токов, индуцированных в обычных проводах или катушках. Благодаря очень малому сопротивлению массивных проводников вихревые токи даже при небольшой индуцированной э. д. с. дости­гают очень больших значений, вызывая чрезмерное нагревание этих проводников.

Способы уменьшения вредного действия вихревых токов. В элек­трических машинах и аппаратах вихревые токи обычно нежелатель­ны, так как они вызывают нагрев металлических сердечников, соз­дают потери энергии (так называемые потери от вихревых токов), снижают к. п. д. электрических машин и аппаратов и оказывают согласно правилу Ленца размагничивающее действие. Для уменьше­ния вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов / (рис. 57) толщиной 0,35—1,0 мм, изо­лированных один от другого слоем изоляции 2 (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и умень­шается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % крем­ния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

Рис. 58. Расплавление металла (а), сварка и пайка (б) металлических деталей с помощью вихревых токов:

/ — тигель с металлом; 2 —высокочастотный индуктор; 3 — сжимающее усилие; 4 — свариваемые трубы; 5—нагретый металл; 6 — пластина из твердого сплава; 7 — резец

Потери мощности от вихревых токов пропорциональны квадрату индукции В магнитного поля и квадрату частоты I его измене­ния. При увеличении индукции и частоты изменения магнитного поля, а также при увеличении частоты вращения роторов и якорей электрических машин эти потери резко возрастают.

Использование вихревых токов. В ряде случаев вихревые токи используют для полезных целей. Например, при помощи вихревых токов расплавляют металлы (рис. 58, а). Для этой цели тигель с металлом помещают в изменяющееся магнитное поле, которое индуцирует вихревые токи, расплавляющие металл. Таким же обра­зом вихревые токи нагревают металлические детали при сварке, наплавке и пайке (рис. 58, б), а также осуществляют поверх­ностный нагрев, необходимый для закалки металлических изделий (рис. 59). Ввиду того что в этих случаях требуется увеличить тепло, выделяемое вихревыми токами, т. е. получить большие вих­ревые токи, для индуцирования их используют магнитные поля, изменяющиеся с большой скоростью. Такие поля могут быть созда­ны при помощи специальных индукторов, выполненных в виде од­ного или нескольких витков, по которым проходят переменные быстро изменяющиеся токи—так называемые токи высокой ча­стоты.

Самоиндукция

Э. д. с. самоиндукции. Э. д. с. е,, индуцирования в провод­нике или катушке в результате изменения магнитного потока, соз­данного током, проходящим по этому же проводнику или катушке, носит название э. д. с. самоиндукции (рис. 60). Эта э. д. с. возникает при всяком изменении тока, например при замыкании и размыкании электрических цепей, при изменении нагрузки электродвигателей и пр. Чем быстрее изменяется ток в проводнике или катушке, тем больше скорость изменения пронизывающего их магнитного потока и тем большая э. д. с. самоиндукции в них индуцируется. Например,

э. д. с. самоиндукции еI возникает в проводнике АБ (см. рис. 54) при изменении протекающего по нему тока /]. Следовательно, изменяю­щееся магнитное поле индуцирует э д. с. в том же самом проводнике, в котором изменяется ток, создающий это поле.

Направление э. д. с. самоиндукции определяется по правилу Лен­ца. Э. д. с. самоиндукции имеет всегда такое направление, при кото­ром она препятствует изменению вызвавшего ее тока. Следователь­но, при возрастании тока в проводнике (катушке) индуцированная в них э. д. с. самоиндукции будет направлена против тока, т. е. будет препятствовать его возрастанию (рис. 61, а), и наоборот, при умень­шении тока в проводнике (катушке) возникает э. д. с. самоиндукции, совпадающая по направлению с током, т. е. препятствующая его убыванию (рис. 61, б). Если же ток в катушке не изменяется, то э. д. с. самоиндукции не возникает.